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JP7829157B2 - Composite components - Google Patents
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Description

本発明は、複合部材に関する。This invention relates to composite members.

セラミックスは、高強度で耐熱性が高い反面、ひずみ難いことが知られている。そのため、セラミックスに荷重が加わった際、荷重を緩和する能力が小さいことから、突発的な破壊が生じることがある。このような特性を改善するために、従来より、セラミックスに繊維を配合することにより、強度を向上させる研究が盛んに行われている。Ceramics are known for their high strength and heat resistance, but also for their resistance to deformation. Therefore, when a load is applied to ceramics, their ability to relieve the load is limited, which can lead to sudden fracture. To improve these properties, research has been actively conducted to enhance the strength of ceramics by incorporating fibers.

特許文献1は、ポリエステル系樹脂中でセルロースを微細化して得られたセルロースナノファイバー含有のマスターバッチ(A)、無水マレイン酸共重合樹脂(B)、及び水(C)を含有するセメント用混和剤を開示している。そして、当該セメント用混和剤をセメント組成物に加えることにより、セメント組成物中に均一にセルロースナノファイバーを分散させることができ、その結果、コンクリート、モルタル等のセメント成形体の強度が向上することが記載されている。Patent Document 1 discloses a cement admixture containing a masterbatch (A) containing cellulose nanofibers obtained by micronizing cellulose in a polyester resin, a maleic anhydride copolymer resin (B), and water (C). It is described that by adding this cement admixture to a cement composition, cellulose nanofibers can be uniformly dispersed in the cement composition, and as a result, the strength of cement molded articles such as concrete and mortar is improved.

特開2015-155357号公報Japanese Patent Publication No. 2015-155357

しかしながら、セメント成形体は主に水和物からなり、気孔が多く存在することから、たとえ繊維を配合したとしても、得られる成形体の機械的強度が不十分であるという問題があった。However, since cement molded bodies are mainly composed of hydrates and have many pores, even if fibers are incorporated, there was a problem in that the resulting molded bodies had insufficient mechanical strength.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、機械的強度に優れた複合部材を提供することにある。This invention has been made in view of the problems of the prior art. The object of this invention is to provide a composite member with excellent mechanical strength.

上記課題を解決するために、本発明の態様に係る複合部材は、金属酸化水酸化物を含む無機物質によって構成される無機マトリックス部と、無機マトリックス部の内部に分散した状態で存在しており、アスペクト比が100以上である金属繊維と、を備える。そして、無機マトリックス部の断面における気孔率が20%以下である。To solve the above problems, a composite member according to an embodiment of the present invention comprises an inorganic matrix portion composed of an inorganic substance containing a metal hydroxide, and metal fibers dispersed within the inorganic matrix portion having an aspect ratio of 100 or more. Furthermore, the porosity of the cross-section of the inorganic matrix portion is 20% or less.

図1は、本実施形態に係る複合部材の一例を概略的に示す断面図である。Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a composite member according to this embodiment. 図2(a)は、図1の複合部材の断面を拡大して示す概略図である。図2(b)は、無機物質の粒子群の粒界近傍を概略的に示す断面図である。Figure 2(a) is a schematic diagram showing an enlarged cross-section of the composite member shown in Figure 1. Figure 2(b) is a schematic cross-sectional view showing the vicinity of the grain boundary of a group of inorganic material particles. 図3は、実施例1-2の試験サンプルの断面を1000倍及び3000倍の倍率で観察した結果を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。なお、左欄は試験サンプルの断面の反射電子像を示しており、右欄は反射電子像を二値化したデータを示している。Figure 3 shows scanning electron microscope (SEM) images of the cross-sections of the test samples from Example 1-2, observed at 1000x and 3000x magnification. The left column shows the backscattered electron image of the test sample's cross-section, and the right column shows the binarized data of the backscattered electron image. 図4は、実施例1-2の試験サンプルの断面を500倍の倍率で観察した結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。Figure 4 is a scanning electron microscope image showing the results of observing the cross-section of the test samples from Example 1-2 at a magnification of 500x. 図5Aは、実施例1-1~1-3で使用したアルミニウム繊維を樹脂で包埋処理したサンプルの断面を1000倍の倍率で観察した結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。Figure 5A is a scanning electron microscope image showing the results of observing a cross-section of a sample of aluminum fiber embedded in resin, as used in Examples 1-1 to 1-3, at a magnification of 1000x. 図5Bは、実施例1-1~1-3で使用したアルミニウム繊維を樹脂で包埋処理したサンプルの断面を3000倍の倍率で観察した結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。Figure 5B is a scanning electron microscope image showing the results of observing a cross-section of a sample of aluminum fiber embedded in resin, as used in Examples 1-1 to 1-3, at a magnification of 3000x. 図6Aは、比較例1-3の試験サンプルの断面を1000倍の倍率で観察した結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。Figure 6A is a scanning electron microscope image showing the results of observing the cross-sections of the test samples of Comparative Examples 1-3 at a magnification of 1000x. 図6Bは、比較例1-3の試験サンプルの断面を3000倍の倍率で観察した結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。Figure 6B is a scanning electron microscope image showing the results of observing the cross-sections of the test samples of Comparative Examples 1-3 at a magnification of 3000x. 図7は、実施例2-1並びに比較例2-1及び2-2の試験サンプルに対して、JIS T6526に準拠して曲げ強さを測定した際の、ストローク変位と荷重との関係を示すグラフである。Figure 7 is a graph showing the relationship between stroke displacement and load when bending strength was measured in accordance with JIS T6526 for the test samples of Example 2-1 and Comparative Examples 2-1 and 2-2. 図8(a)は、曲げ強さ測定後の実施例2-1の試験サンプルを示す写真である。図8(b)は、曲げ強さ測定後の比較例2-2の試験サンプルを示す写真である。Figure 8(a) is a photograph showing the test sample of Example 2-1 after bending strength measurement. Figure 8(b) is a photograph showing the test sample of Comparative Example 2-2 after bending strength measurement. 図9は、参考例3-1に係る水熱処理を行う前のアルミニウム繊維、参考例3-2に係る水熱処理を行った後のアルミニウム繊維、及び、参考例3-3に係るアンモニウム添加水熱処理を行った後のアルミニウム繊維を、それぞれ1000倍及び3000倍の倍率で観察した結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。Figure 9 shows scanning electron microscope images of aluminum fibers before hydrothermal treatment according to Reference Example 3-1, aluminum fibers after hydrothermal treatment according to Reference Example 3-2, and aluminum fibers after ammonium-added hydrothermal treatment according to Reference Example 3-3, observed at magnifications of 1000x and 3000x, respectively. 図10は、参考例3-2に係る水熱処理を行った後のアルミニウム繊維の表面をX線回折測定した結果を示すグラフである。Figure 10 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurement of the surface of aluminum fibers after hydrothermal treatment according to Reference Example 3-2. 図11は、水硬性アルミナのX線回折パターン、並びにICSDに登録されたベーマイト(AlOOH)及びギブサイト(Al(OH))のパターンを示すグラフである。Figure 11 is a graph showing the X-ray diffraction pattern of hydraulic alumina, as well as the patterns of boehmite (AlOOH) and gibbsite (Al(OH) 3 ) registered in ICSD. 図12は、参考例4の試験サンプルのX線回折パターン、並びにICSDに登録されたベーマイト及びギブサイトのX線回折パターンを示すグラフである。Figure 12 is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the test sample of Reference Example 4, as well as the X-ray diffraction patterns of boehmite and gibbsite registered in ICSD.

以下、図面を用いて本実施形態に係る複合部材について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。The composite member according to this embodiment will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for illustrative purposes and may differ from the actual ratios.

[複合部材]
本実施形態の複合部材100は、図1に示すように、無機物質によって構成される無機マトリックス部10と、無機マトリックス部10の内部に分散した状態で存在している金属繊維20と、を備えている。
[Composite materials]
As shown in Figure 1, the composite member 100 of this embodiment comprises an inorganic matrix portion 10 composed of an inorganic substance and metal fibers 20 dispersed within the inorganic matrix portion 10.

無機マトリックス部10は、無機物質からなる複数の粒子11により構成されており、無機物質の粒子11同士が互いに結合することにより、無機マトリックス部10が形成されている。The inorganic matrix portion 10 is composed of a plurality of particles 11 made of inorganic material, and the inorganic matrix portion 10 is formed by the bonding of the inorganic material particles 11 with each other.

無機マトリックス部10を構成する無機物質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素を含有していることが好ましい。本明細書において、アルカリ土類金属は、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウムに加えて、ベリリウム及びマグネシウムを包含する。卑金属は、アルミニウム、亜鉛、ガリウム、カドミウム、インジウム、すず、水銀、タリウム、鉛、ビスマス及びポロニウムを包含する。半金属は、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン及びテルルを包含する。この中でも、無機物質は、アルミニウム、鉄、ニッケル、ガリウム及びイットリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素を含有していることが好ましい。The inorganic material constituting the inorganic matrix portion 10 preferably contains at least one metallic element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, base metals, and metalloids. In this specification, alkaline earth metals include calcium, strontium, barium, and radium, as well as beryllium and magnesium. Base metals include aluminum, zinc, gallium, cadmium, indium, tin, mercury, thallium, lead, bismuth, and polonium. Metalloids include boron, silicon, germanium, arsenic, antimony, and tellurium. Among these, the inorganic material preferably contains at least one metallic element selected from the group consisting of aluminum, iron, nickel, gallium, and yttrium.

無機マトリックス部10を構成する無機物質は、上記金属元素の酸化水酸化物を含有している。また、無機物質は、上記金属元素の酸化水酸化物を主成分として含有することが好ましい。つまり、無機物質は、上記金属元素の酸化水酸化物を50mol%以上含有することが好ましく、80mol%以上含有することがより好ましい。このような無機物質は、大気中の酸素及び水蒸気に対する安定性が高いことから、無機マトリックス部10の内部に金属繊維20を配置することにより、金属繊維20と酸素及び水蒸気との接触を抑制して、金属繊維20の劣化を抑えることができる。なお、無機物質が上記金属元素の酸化水酸化物を主成分としている場合、無機物質は上記金属元素の水酸化物を含有していてもよい。The inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 contains the hydroxide oxide of the above-mentioned metal element. Furthermore, it is preferable that the inorganic substance mainly contains the hydroxide oxide of the above-mentioned metal element. In other words, it is preferable that the inorganic substance contains 50 mol% or more of the hydroxide oxide of the above-mentioned metal element, and more preferably 80 mol% or more. Since such an inorganic substance has high stability against oxygen and water vapor in the atmosphere, by arranging the metal fibers 20 inside the inorganic matrix portion 10, contact between the metal fibers 20 and oxygen and water vapor can be suppressed, thereby suppressing the deterioration of the metal fibers 20. Note that when the inorganic substance mainly consists of the hydroxide oxide of the above-mentioned metal element, the inorganic substance may also contain the hydroxide of the above-mentioned metal element.

また、無機マトリックス部10は、多結晶体であることが好ましい。つまり、無機物質の粒子11は結晶質の粒子であり、無機マトリックス部10は多数の粒子11が凝集してなるものであることが好ましい。無機マトリックス部10が多結晶体であることにより、アモルファスからなる場合と比べて、耐久性の高い複合部材100を得ることができる。なお、無機物質の粒子11は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、卑金属及び半金属からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素を含有する結晶質の粒子であることがより好ましい。また、無機物質の粒子11は、上記金属元素の酸化水酸化物を含有する結晶質の粒子であることが好ましい。無機物質の粒子11は、上記金属元素の酸化水酸化物を主成分とする結晶質の粒子であることがより好ましい。Furthermore, the inorganic matrix portion 10 is preferably polycrystalline. That is, the inorganic material particles 11 are preferably crystalline particles, and the inorganic matrix portion 10 is preferably formed by the aggregation of many particles 11. By making the inorganic matrix portion 10 polycrystalline, a composite member 100 with higher durability can be obtained compared to the case where it is amorphous. It is more preferable that the inorganic material particles 11 are crystalline particles containing at least one metal element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, base metals, and metalloids. Furthermore, it is preferable that the inorganic material particles 11 are crystalline particles containing the hydroxide oxide of the above metal element. It is more preferable that the inorganic material particles 11 are crystalline particles mainly composed of the hydroxide oxide of the above metal element.

無機マトリックス部10の無機物質に含まれる金属酸化水酸化物は、アルミニウムを含むことができる。また、金属酸化水酸化物は、ベーマイトであることが好ましい。ベーマイトは、AlOOHの組成式で示されるアルミニウム酸化水酸化物である。ベーマイトは、水に不溶であり、酸及びアルカリにも常温下では殆ど反応しないことから化学的安定性が高く、さらに脱水温度が500℃前後と高いことから耐熱性にも優れるという特性を有する。また、ベーマイトは、比重が3.07程度であるため、無機マトリックス部10がベーマイトからなる場合には、軽量であり、かつ、化学的安定性に優れる複合部材100を得ることができる。The metal hydroxide contained in the inorganic material of the inorganic matrix portion 10 may include aluminum. Furthermore, the metal hydroxide is preferably boehmite. Boehmite is an aluminum hydroxide represented by the chemical formula AlOOH. Boehmite is insoluble in water and hardly reacts to acids and alkalis at room temperature, thus possessing high chemical stability. It also has excellent heat resistance due to its high dehydration temperature of around 500°C. Additionally, since boehmite has a specific gravity of approximately 3.07, when the inorganic matrix portion 10 is made of boehmite, a lightweight and chemically stable composite member 100 can be obtained.

無機マトリックス部10を構成する無機物質がベーマイトである場合、粒子11は、ベーマイト相のみからなる粒子であってもよく、ベーマイトと、ベーマイト以外の酸化アルミニウム又は水酸化アルミニウムとの混合相からなる粒子であってもよい。例えば、粒子11は、ベーマイトからなる相と、ギブサイト(Al(OH))からなる相が混合した粒子であってもよい。そして、この場合、隣接する粒子11は、アルミニウムの酸化物及び酸化水酸化物の少なくとも一方からなる結合部30を介して結合していることが好ましい。つまり、粒子11同士は、有機化合物からなる有機バインダーで結合しておらず、アルミニウムの酸化物及び酸化水酸化物以外の無機化合物からなる無機バインダーでも結合していないことが好ましい。なお、隣接する粒子11がアルミニウムの酸化物及び酸化水酸化物の少なくとも一方からなる結合部30を介して結合している場合、当該アルミニウムの酸化物及び酸化水酸化物は結晶質であってもよく、また、非晶質であってもよい。 When the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 is boehmite, the particles 11 may consist only of the boehmite phase, or they may consist of a mixed phase of boehmite and aluminum oxide or aluminum hydroxide other than boehmite. For example, the particles 11 may be a mixture of a phase consisting of boehmite and a phase consisting of gibbsite (Al(OH) 3 ). In this case, it is preferable that adjacent particles 11 are bonded together via a bonding portion 30 consisting of at least one of aluminum oxide and aluminum hydroxide. In other words, it is preferable that the particles 11 are not bonded together by an organic binder made of an organic compound, nor by an inorganic binder made of an inorganic compound other than aluminum oxide and aluminum hydroxide. When adjacent particles 11 are bonded together via a bonding portion 30 consisting of at least one of aluminum oxide and aluminum hydroxide, the aluminum oxide and aluminum hydroxide may be crystalline or amorphous.

無機マトリックス部10がベーマイトからなる場合、ベーマイト相の存在割合が50質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることがより好ましく、70質量%以上であることがさらに好ましい。ベーマイト相の割合が増加することにより、軽量であり、かつ、化学的安定性及び耐熱性に優れた無機マトリックス部10を得ることができる。なお、無機マトリックス部10におけるベーマイト相の割合は、X線回折法により無機マトリックス部10のX線回折パターンを測定した後、リートベルト解析を行うことにより、求めることができる。When the inorganic matrix portion 10 is made of boehmite, the proportion of the boehmite phase is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, and even more preferably 70% by mass or more. By increasing the proportion of the boehmite phase, an inorganic matrix portion 10 that is lightweight and has excellent chemical stability and heat resistance can be obtained. The proportion of the boehmite phase in the inorganic matrix portion 10 can be determined by measuring the X-ray diffraction pattern of the inorganic matrix portion 10 by X-ray diffraction and then performing Rietveld analysis.

無機マトリックス部10を構成する無機物質の粒子11の平均粒子径は、特に限定されない。ただ、粒子11の平均粒子径は、300nm以上50μm以下であることが好ましく、300nm以上30μm以下であることがより好ましく、300nm以上10μm以下であることがさらに好ましく、300nm以上5μm以下であることが特に好ましい。無機物質の粒子11の平均粒子径がこの範囲内であることにより、粒子11同士が強固に結合し、無機マトリックス部10の強度を高めることができる。また、無機物質の粒子11の平均粒子径がこの範囲内であることにより、後述するように、無機マトリックス部10の内部に存在する気孔の割合が20%以下にすることができる。なお、本明細書において、「平均粒子径」の値としては、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用する。The average particle diameter of the inorganic material particles 11 constituting the inorganic matrix portion 10 is not particularly limited. However, the average particle diameter of the particles 11 is preferably 300 nm or more and 50 μm or less, more preferably 300 nm or more and 30 μm or less, even more preferably 300 nm or more and 10 μm or less, and particularly preferably 300 nm or more and 5 μm or less. By having the average particle diameter of the inorganic material particles 11 within this range, the particles 11 are strongly bound together, and the strength of the inorganic matrix portion 10 can be increased. Furthermore, by having the average particle diameter of the inorganic material particles 11 within this range, as will be described later, the proportion of pores present inside the inorganic matrix portion 10 can be reduced to 20% or less. In this specification, unless otherwise specified, the value of "average particle diameter" is the value calculated as the average value of the particle diameters of particles observed in several to tens of fields of view using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).

無機物質の粒子11の形状は特に限定されないが、例えば球状とすることができる。また、粒子11は、ウィスカー状(針状)の粒子、又は鱗片状の粒子であってもよい。ウィスカー状粒子又は鱗片状粒子は、球状粒子と比べて他の粒子との接触性が高まり、無機マトリックス部10の強度が向上しやすい。そのため、粒子11としてこのような形状の粒子を用いることにより、複合部材100全体の強度を高めることが可能となる。The shape of the inorganic particles 11 is not particularly limited, but they can be spherical, for example. The particles 11 may also be whisker-shaped (needle-shaped) or flaky. Whisker-shaped or flaky particles have higher contact with other particles compared to spherical particles, which tends to improve the strength of the inorganic matrix portion 10. Therefore, by using particles of this shape as the particles 11, it is possible to increase the overall strength of the composite member 100.

上述のように、無機マトリックス部10を構成する無機物質は、金属酸化水酸化物を主成分として含有することがより好ましい。そのため、無機マトリックス部10も、金属酸化水酸化物を主成分とすることが好ましい。つまり、無機マトリックス部10は、金属酸化水酸化物を50mol%以上含有することが好ましく、80mol%以上含有することがより好ましい。As described above, it is more preferable that the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 contains metal hydroxide as its main component. Therefore, it is preferable that the inorganic matrix portion 10 also has metal hydroxide as its main component. In other words, it is preferable that the inorganic matrix portion 10 contains 50 mol% or more of metal hydroxide, and more preferably 80 mol% or more.

なお、無機マトリックス部10を構成する無機物質は、実質的に水和物を含まないことが好ましい。本明細書において、「無機物質は、実質的に水和物を含有しない」とは、無機物質に故意に水和物を含有させたものではないことを意味する。そのため、無機物質に水和物が不可避不純物として混入した場合は、「無機物質は、実質的に水和物を含有しない」という条件を満たす。なお、ベーマイトは金属酸化水酸化物であることから、本明細書においては水和物に包含されない。Furthermore, it is preferable that the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 is substantially free of hydrates. In this specification, "substantially free of hydrates" means that the inorganic substance is not intentionally made to contain hydrates. Therefore, if hydrates are inevitably mixed into the inorganic substance as impurities, the condition "substantially free of hydrates" is met. Note that since boehmite is a metal hydroxide, it is not included in the definition of hydrates in this specification.

また、無機マトリックス部10を構成する無機物質は、カルシウム化合物の水和物を含まないことが好ましい。ここでいうカルシウム化合物は、ケイ酸三カルシウム(エーライト、3CaO・SiO)、ケイ酸二カルシウム(ビーライト、2CaO・SiO)、カルシウムアルミネート(3CaO・Al)、カルシウムアルミノフェライト(4CaO・Al・Fe)、硫酸カルシウム(CaSO・2HO)である。無機マトリックス部10を構成する無機物質が上記カルシウム化合物の水和物を含む場合、得られる複合部材は、無機マトリックス部の断面における気孔率が20%を超える可能性がある。そのため、無機物質は、上記カルシウム化合物の水和物を含まないことが好ましい。また、無機マトリックス部10を構成する無機物質は、リン酸セメント、リン酸亜鉛セメント、及びリン酸カルシウムセメントも含まないことが好ましい。無機物質がこれらのセメントを含まないことにより、得られる複合部材の気孔率を20%以下にすることが可能となる。 Furthermore, it is preferable that the inorganic material constituting the inorganic matrix portion 10 does not contain hydrates of calcium compounds. The calcium compounds referred to here are tricalcium silicate (alite, 3CaO・SiO₂ ), dicalcium silicate (beelite, 2CaO・SiO₂ ), calcium aluminate ( 3CaO・Al₂O₃ ), calcium aluminoferrite (4CaO・Al₂O₃Fe₂O₃ ), and calcium sulfate ( CaSO₄2H₂O ). If the inorganic material constituting the inorganic matrix portion 10 contains hydrates of the above calcium compounds, the resulting composite member may have a porosity exceeding 20% in the cross-section of the inorganic matrix portion. Therefore, it is preferable that the inorganic material does not contain hydrates of the above calcium compounds. Furthermore, it is preferable that the inorganic material constituting the inorganic matrix portion 10 does not contain phosphate cement, zinc phosphate cement, and calcium phosphate cement. By not including these cements in the inorganic material, it is possible to reduce the porosity of the resulting composite member to 20% or less.

複合部材100は、金属からなる金属繊維20を備えている。金属繊維20は、無機マトリックス部10の内部に分散しており、無機マトリックス部10と接触して固着している。金属繊維20としては、全体が純金属又は合金からなるもの、又は、芯部として樹脂を用い、鞘部として金属をコーティングしたものを用いることができる。ただ、本実施形態では、金属繊維20は、純金属又は合金からなる繊維であることが好ましい。The composite member 100 comprises metal fibers 20 made of metal. The metal fibers 20 are dispersed inside the inorganic matrix portion 10 and are fixed in contact with the inorganic matrix portion 10. As the metal fibers 20, those made entirely of pure metal or alloy can be used, or those using resin as the core and coated with metal as the sheath portion can be used. However, in this embodiment, it is preferable that the metal fibers 20 are made of pure metal or alloy.

金属繊維20を構成する金属は、例えば金、銀、銅、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、チタン、アルミニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、モリブデン、バナジウム、マグネシウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、スズ及び鉛からなる群より選ばれる少なくとも一つの金属元素を用いることができる。金属繊維20を構成する金属は、これらの金属元素の単体であってもよく、当該金属元素を任意に組み合わせた合金であってもよい。The metal constituting the metal fiber 20 can be at least one metallic element selected from the group consisting of, for example, gold, silver, copper, platinum, iridium, palladium, ruthenium, rhodium, titanium, aluminum, tantalum, niobium, tungsten, molybdenum, vanadium, magnesium, chromium, iron, cobalt, nickel, zinc, tin, and lead. The metal constituting the metal fiber 20 may be these metallic elements in their individual components, or it may be an alloy of these metallic elements in any combination.

金属繊維20は、展性を有することが好ましい。後述するように、複合部材100は、加圧加熱法により製造することができる。そして、金属繊維20が展性を有することにより、加圧時に金属繊維20が粒子11の形状に沿って塑性変形するため、無機マトリックス部10の粒子11に対して固着することができる。なお、展性に富む金属としては、例えば、金、銀、鉛、銅、アルミニウムを挙げることができる。そのため、金属繊維20は、金、銀、鉛、銅、アルミニウムからなる繊維、又は、金、銀、鉛、銅、アルミニウムの少なくとも一つを含む合金からなる繊維であることが好ましい。The metal fibers 20 are preferably malleable. As will be described later, the composite member 100 can be manufactured by a pressurized heating method. Because the metal fibers 20 are malleable, they plastically deform along the shape of the particles 11 when pressurized, and can therefore adhere to the particles 11 of the inorganic matrix portion 10. Examples of metals with high malleability include gold, silver, lead, copper, and aluminum. Therefore, the metal fibers 20 are preferably fibers made of gold, silver, lead, copper, or aluminum, or fibers made of an alloy containing at least one of gold, silver, lead, copper, or aluminum.

また、金属繊維20は、延性を有していることが好ましい。上述のように、無機マトリックス部10自体は、無機物質の粒子11同士が結合することにより形成されているため、硬度は高いが脆性破壊しやすい特性を有する。ただ、金属繊維20が延性を有することにより、無機マトリックス部10に外力が加わった場合、無機マトリックス部10内で金属繊維20は引き延びることができる。その結果、無機マトリックス部10の脆性破壊が抑えられて、ひび割れ等の発生が抑制されるため、複合部材の曲げ応力が高まり、機械的強度を向上させることができる。なお、延性に富む金属としては、例えば、金、銀、白金、鉄、ニッケルを挙げることができる。そのため、金属繊維20は、金、銀、白金、鉄、ニッケルからなる繊維、又は、金、銀、白金、鉄、ニッケルの少なくとも一つを含む合金からなる繊維であることも好ましい。Furthermore, it is preferable that the metal fibers 20 are ductile. As described above, the inorganic matrix portion 10 itself is formed by the bonding of inorganic material particles 11, and therefore has high hardness but is prone to brittle fracture. However, because the metal fibers 20 are ductile, when an external force is applied to the inorganic matrix portion 10, the metal fibers 20 can be stretched within the inorganic matrix portion 10. As a result, brittle fracture of the inorganic matrix portion 10 is suppressed, and the occurrence of cracks and the like is suppressed, so the bending stress of the composite member can be increased and the mechanical strength can be improved. Examples of metals that are highly ductile include gold, silver, platinum, iron, and nickel. Therefore, it is also preferable that the metal fibers 20 are fibers made of gold, silver, platinum, iron, and nickel, or fibers made of an alloy containing at least one of gold, silver, platinum, iron, and nickel.

金属繊維のアスペクト比(繊維長/繊維径)は、100以上であることが好ましく、200以上であることがより好ましく、500以上であることがさらに好ましく、1000以上であることが特に好ましい。また、金属繊維20の繊維径は特に限定されないが、1μm~100μmとすることができる。金属繊維20のアスペクト比が大きくなることにより、金属繊維20を介して無機物質の粒子11同士が連結しやすくなる。そのため、無機マトリックス部10に外力が加わった場合でも、ひび割れ等の発生を抑制することができる。また、仮に無機マトリックス部10にひび割れが発生したとしても、金属繊維20を分散させることにより、ひび割れ面間をつなぎ止め、無機マトリックス部10の破断を抑制することができる。The aspect ratio (fiber length/fiber diameter) of the metal fibers is preferably 100 or more, more preferably 200 or more, even more preferably 500 or more, and particularly preferably 1000 or more. The fiber diameter of the metal fibers 20 is not particularly limited, but can be between 1 μm and 100 μm. A larger aspect ratio of the metal fibers 20 makes it easier for the inorganic material particles 11 to connect with each other via the metal fibers 20. Therefore, even when an external force is applied to the inorganic matrix portion 10, the occurrence of cracks can be suppressed. Furthermore, even if cracks do occur in the inorganic matrix portion 10, the metal fibers 20 can be dispersed to connect the crack surfaces and suppress the fracture of the inorganic matrix portion 10.

複合部材100において、金属繊維20は、無機マトリックス部10の内部において主に所定方向に配向していてもよい。ここで、「金属繊維が主に所定方向に配向している」とは、顕微鏡を用いて複合部材100を観察した場合に、視野に見える複数の繊維のうち半数以上が略同じ特定方向に向いて配向していることをいう。例えば、複合部材100の形状が板状である場合、金属繊維20は、無機マトリックス部10の内部において、主に表面(主面)に平行な方向に配向していてもよい。また、複合部材100の形状が棒状である場合、金属繊維20は、無機マトリックス部10の内部において主に長手方向に配向していてもよい。このように、複合部材100において、金属繊維20が所定方向に配向していることにより、当該所定方向に垂直な方向から外力が加わった場合、金属繊維20が引き延びることができる。その結果、複合部材100の曲げ応力が高まるため、機械的強度を向上させることができる。In the composite member 100, the metal fibers 20 may be mainly oriented in a predetermined direction within the inorganic matrix portion 10. Here, "the metal fibers are mainly oriented in a predetermined direction" means that when the composite member 100 is observed using a microscope, more than half of the multiple fibers visible in the field of view are oriented in substantially the same specific direction. For example, if the composite member 100 is plate-shaped, the metal fibers 20 may be mainly oriented parallel to the surface (main surface) within the inorganic matrix portion 10. Also, if the composite member 100 is rod-shaped, the metal fibers 20 may be mainly oriented in the longitudinal direction within the inorganic matrix portion 10. In this way, because the metal fibers 20 in the composite member 100 are oriented in a predetermined direction, the metal fibers 20 can be stretched when an external force is applied from a direction perpendicular to that predetermined direction. As a result, the bending stress of the composite member 100 increases, and thus the mechanical strength can be improved.

複合部材100において、金属繊維20は10体積%以上含まれている構成とすることができる。複合部材100における金属繊維20の含有量が増加するほど、複合部材100の曲げ応力を高めることができる。そのため、複合部材100の機械的強度を高める観点から、複合部材100に含まれる金属繊維20の含有量の下限は10体積%とすることが好ましい。なお、複合部材100に含まれる金属繊維20の含有量の下限は20体積%とすることが好ましく、30体積%とすることがより好ましい。また、複合部材100に含まれる金属繊維20の含有量の上限は80体積%とすることが好ましく、70体積%とすることがより好ましい。In the composite member 100, the metal fibers 20 can be present in a composition of 10% by volume or more. The higher the content of metal fibers 20 in the composite member 100, the higher the bending stress of the composite member 100 can be. Therefore, from the viewpoint of increasing the mechanical strength of the composite member 100, it is preferable that the lower limit of the content of metal fibers 20 in the composite member 100 be 10% by volume. Furthermore, it is preferable that the lower limit of the content of metal fibers 20 in the composite member 100 be 20% by volume, and more preferably 30% by volume. In addition, it is preferable that the upper limit of the content of metal fibers 20 in the composite member 100 be 80% by volume, and more preferably 70% by volume.

複合部材100において、金属酸化水酸化物及び金属繊維20は同じ金属元素を含むことができる。具体的には、金属酸化水酸化物及び金属繊維20は、両方ともアルミニウムを含むことができる。金属酸化水酸化物がアルミニウムを含む場合、無機マトリックス部10はベーマイトからなる構成とすることができる。また、金属繊維20がアルミニウムを含む場合、金属繊維20は純アルミニウムからなる繊維又はアルミニウム合金からなる繊維とすることができる。金属繊維20がアルミニウムを含む場合、複合部材100の製造時に金属繊維の表面にベーマイト層が生成するため、無機マトリックス部10と金属繊維20とを固着することができる。In the composite member 100, the metal hydroxide and the metal fibers 20 can contain the same metal element. Specifically, both the metal hydroxide and the metal fibers 20 can contain aluminum. When the metal hydroxide contains aluminum, the inorganic matrix portion 10 can be made of boehmite. When the metal fibers 20 contain aluminum, the metal fibers 20 can be made of pure aluminum or an aluminum alloy. When the metal fibers 20 contain aluminum, a boehmite layer is formed on the surface of the metal fibers during the manufacturing of the composite member 100, allowing the inorganic matrix portion 10 and the metal fibers 20 to be fixed together.

複合部材100において、無機マトリックス部10及び金属繊維20は、金属繊維20の表面に生成し、無機マトリックス部10と異なるベーマイト層を介して、互いに固着している構成とすることができる。後述するように、複合部材100は、無機マトリックス部10を構成する無機物質の前駆体と、金属繊維と、溶媒とを混合して混合物を得た後、当該混合物を50~300℃、10~600MPaで加圧及び加熱することにより得ることができる。具体的には、無機マトリックス部10がベーマイトからなる場合、複合部材100は、水硬性アルミナと金属繊維と水とを混合して混合物を得た後、当該混合物を50~300℃、10~600MPaで加圧及び加熱することにより得ることができる。In the composite member 100, the inorganic matrix portion 10 and the metal fibers 20 can be configured such that they are formed on the surface of the metal fibers 20 and are fixed to each other via a boehmite layer different from the inorganic matrix portion 10. As will be described later, the composite member 100 can be obtained by mixing a precursor of the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10, metal fibers, and a solvent to obtain a mixture, and then pressurizing and heating the mixture at 50 to 300°C and 10 to 600 MPa. Specifically, when the inorganic matrix portion 10 is made of boehmite, the composite member 100 can be obtained by mixing hydraulic alumina, metal fibers, and water to obtain a mixture, and then pressurizing and heating the mixture at 50 to 300°C and 10 to 600 MPa.

ここで、金属繊維がアルミニウムを含む場合、上記加圧及び加熱工程において、金属繊維表面の酸化アルミニウム(アルマイト)及び/又はアルミニウムが水と反応するため、金属繊維の表面にベーマイトからなる層が形成される。そのため、無機マトリックス部10がベーマイトからなる場合、粒子11と金属繊維20表面のベーマイト層との親和性が高まることから、生成したベーマイト層を介して、粒子11と金属繊維20は互いに固着することができる。また、当該ベーマイト層は、無機マトリックス部10と金属繊維20との間に生じる剪断力を吸収し、これらが分離することを抑制することができる。さらに、金属繊維20を構成するアルミニウムは、延性にも富む性質を有する。このため、無機マトリックス部10に外力が加わった場合でも、アルミニウム繊維の効果により、ひび割れ等の発生を抑制し、曲げ応力を高めることが可能となる。Here, if the metal fibers contain aluminum, during the pressurizing and heating process, the aluminum oxide (anodized aluminum) and/or aluminum on the surface of the metal fibers react with water, forming a layer of boehmite on the surface of the metal fibers. Therefore, when the inorganic matrix portion 10 is made of boehmite, the affinity between the particles 11 and the boehmite layer on the surface of the metal fibers 20 increases, allowing the particles 11 and the metal fibers 20 to adhere to each other via the formed boehmite layer. Furthermore, the boehmite layer absorbs the shear force generated between the inorganic matrix portion 10 and the metal fibers 20, suppressing their separation. Moreover, the aluminum constituting the metal fibers 20 also possesses excellent ductility. Therefore, even when an external force is applied to the inorganic matrix portion 10, the effect of the aluminum fibers suppresses the occurrence of cracks and other damage, and increases the bending stress.

複合部材100において、無機マトリックス部10の断面における気孔率は20%以下であることが好ましい。つまり、無機マトリックス部10の断面を観察した場合、単位面積あたりの気孔の割合の平均値が20%以下であることが好ましい。気孔率が20%以下の場合には、緻密な無機物質の内部に、金属繊維20を封止することができる。そのため、複合部材100の外部からの酸素及び水蒸気と、金属繊維20との接触率が減少することから、長期間に亘って金属繊維20の酸化を抑制することが可能となる。さらに、この場合、無機マトリックス部10は、内部の気孔が少なく、無機物質が緻密となっていることから、複合部材100は高い強度を有することができる。なお、無機マトリックス部10の断面における気孔率は15%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましい。無機マトリックス部10の断面における気孔率が小さいほど、金属繊維20と酸素及び水蒸気との接触が抑制されるため、金属繊維20の劣化を防ぐことができる。In the composite member 100, it is preferable that the porosity of the inorganic matrix portion 10 in cross-section is 20% or less. That is, when observing the cross-section of the inorganic matrix portion 10, it is preferable that the average value of the pore ratio per unit area is 20% or less. When the porosity is 20% or less, the metal fibers 20 can be sealed inside the dense inorganic material. Therefore, the contact rate between oxygen and water vapor from outside the composite member 100 and the metal fibers 20 is reduced, making it possible to suppress the oxidation of the metal fibers 20 over a long period of time. Furthermore, in this case, since the inorganic matrix portion 10 has few pores inside and the inorganic material is dense, the composite member 100 can have high strength. It is preferable that the porosity of the inorganic matrix portion 10 in cross-section is 15% or less, more preferably 10% or less, and even more preferably 5% or less. The smaller the porosity of the inorganic matrix portion 10 in cross-section, the more the contact between the metal fibers 20 and oxygen and water vapor is suppressed, thus preventing the deterioration of the metal fibers 20.

本明細書において、気孔率は次のように求めることができる。まず、無機マトリックス部10の断面を観察し、無機マトリックス部10、金属繊維20及び気孔を判別する。そして、単位面積と当該単位面積中の気孔の面積とを測定し、単位面積あたりの気孔の割合を求める。このような単位面積あたりの気孔の割合を複数箇所で求めた後、単位面積あたりの気孔の割合の平均値を、気孔率とする。なお、無機マトリックス部10の断面を観察する際には、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いることができる。また、単位面積と当該単位面積中の気孔の面積は、顕微鏡で観察した画像を二値化することにより測定してもよい。In this specification, porosity can be determined as follows. First, the cross-section of the inorganic matrix portion 10 is observed to distinguish between the inorganic matrix portion 10, the metal fibers 20, and the pores. Then, the area of pores per unit area is measured, and the ratio of pores per unit area is determined. After determining the ratio of pores per unit area at multiple locations, the average value of the ratio of pores per unit area is taken as the porosity. When observing the cross-section of the inorganic matrix portion 10, an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), or a transmission electron microscope (TEM) can be used. In addition, the area of pores per unit area and the area of pores per unit area may be measured by binarizing the image observed with a microscope.

なお、複合部材100の形状は特に限定されないが、例えば板状とすることができる。また、複合部材100の厚みtは特に限定されないが、例えば50μm以上とすることができる。後述するように、複合部材100は、加圧加熱法により形成するため、厚みの大きな複合部材100を容易に得ることができる。なお、複合部材100の厚みtは1mm以上とすることができ、1cm以上とすることもできる。複合部材100の厚みtの上限は特に限定されないが、例えば50cmとすることができる。The shape of the composite member 100 is not particularly limited, but it can be, for example, plate-shaped. The thickness t of the composite member 100 is also not particularly limited, but it can be, for example, 50 μm or more. As will be described later, since the composite member 100 is formed by a pressurized heating method, composite members 100 with large thicknesses can be easily obtained. The thickness t of the composite member 100 can be 1 mm or more, and can also be 1 cm or more. The upper limit of the thickness t of the composite member 100 is not particularly limited, but it can be, for example, 50 cm.

このように、本実施形態の複合部材100は、金属酸化水酸化物を含む無機物質によって構成される無機マトリックス部10と、無機マトリックス部10の内部に分散した状態で存在しており、アスペクト比が100以上である金属繊維20とを備える。そして、複合部材100において、無機マトリックス部10の断面における気孔率が20%以下である。複合部材100では、無機マトリックス部10の内部に金属繊維20を分散させているため、無機物質の粒子11同士を金属繊維20により連結し、複合部材100の曲げ強さ及び機械的強度を高めることができる。さらに、複合部材100は断面における気孔率が20%以下であることから、酸素及び水蒸気と金属繊維20との接触が抑制され、金属繊維20を長期間に亘って安定的に分散させることができる。As described above, the composite member 100 of this embodiment comprises an inorganic matrix portion 10 composed of an inorganic substance containing a metal hydroxide, and metal fibers 20 dispersed within the inorganic matrix portion 10 with an aspect ratio of 100 or more. Furthermore, in the composite member 100, the porosity of the cross-section of the inorganic matrix portion 10 is 20% or less. In the composite member 100, since the metal fibers 20 are dispersed within the inorganic matrix portion 10, the inorganic substance particles 11 are connected by the metal fibers 20, thereby increasing the bending strength and mechanical strength of the composite member 100. Moreover, since the porosity of the cross-section of the composite member 100 is 20% or less, contact between oxygen and water vapor and the metal fibers 20 is suppressed, and the metal fibers 20 can be stably dispersed over a long period of time.

[複合部材の製造方法]
次に、本実施形態に係る複合部材の製造方法について説明する。複合部材100は、無機マトリックス部10を構成する無機物質の前駆体粒子と、金属繊維との混合物を、溶媒を含んだ状態で加圧しながら加熱することにより製造することができる。このような加圧加熱法を用いることにより、無機物質の前駆体粒子が溶媒と反応して、当該粒子同士が互いに結合するため、金属繊維20が内部に分散した無機マトリックス部10を形成することができる。
[Method for manufacturing composite components]
Next, a method for manufacturing the composite member according to this embodiment will be described. The composite member 100 can be manufactured by heating a mixture of precursor particles of an inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 and metal fibers under pressure while containing a solvent. By using such a pressurized heating method, the precursor particles of the inorganic substance react with the solvent and bond together, thereby forming an inorganic matrix portion 10 in which the metal fibers 20 are dispersed inside.

具体的には、まず、無機マトリックス部10を構成する無機物質の前駆体の粉末と、金属繊維とを混合して混合物を調製する。無機物質前駆体の粉末と金属繊維は空気中で混合してもよく、不活性雰囲気下で混合してもよい。無機マトリックス部10を構成する無機物質の前駆体としては、溶媒とともに加熱及び加圧することにより、金属酸化水酸化物を生成するものを用いる。例えば、無機マトリックス部10を構成する無機物質がベーマイトである場合、無機物質の前駆体として水硬性アルミナを用いることができる。Specifically, first, a mixture is prepared by mixing a powder of the precursor of the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 with metal fibers. The powder of the inorganic substance precursor and the metal fibers may be mixed in air or in an inert atmosphere. As the precursor of the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10, a material that generates a metal oxide hydroxide when heated and pressurized with a solvent is used. For example, if the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 is boehmite, hydraulic alumina can be used as the precursor of the inorganic substance.

次に、混合物に溶媒を添加する。溶媒としては、無機物質前駆体と反応して、金属酸化水酸化物を生成するものを用いる。このような溶媒としては、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、アルコール、ケトン及びエステルからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。酸性水溶液としては、pH1~3の水溶液を用いることができる。アルカリ性水溶液としては、pH10~14の水溶液を用いることができる。酸性水溶液としては、有機酸の水溶液を用いることが好ましい。また、アルコールとしては、炭素数が1~12のアルコールを用いることが好ましい。Next, a solvent is added to the mixture. The solvent used is one that reacts with the inorganic precursor to produce a metal hydroxide oxide. Such a solvent can be at least one selected from the group consisting of water, acidic aqueous solutions, alkaline aqueous solutions, alcohols, ketones, and esters. As the acidic aqueous solution, an aqueous solution with a pH of 1 to 3 can be used. As the alkaline aqueous solution, an aqueous solution with a pH of 10 to 14 can be used. It is preferable to use an aqueous solution of an organic acid as the acidic aqueous solution. Furthermore, it is preferable to use an alcohol having 1 to 12 carbon atoms.

次いで、無機物質前駆体と金属繊維と溶媒とを含む混合物を、金型の内部に充填する。当該混合物を金型に充填した後、必要に応じて金型を加熱してもよい。そして、金型の内部の混合物に圧力を加えることにより、金型の内部が高圧状態となる。この際、無機物質前駆体及び金属繊維が緻密化して、無機物質前駆体の粒子同士が結合すると同時に、無機物質前駆体が溶媒と反応して金属酸化水酸化物となる。その結果、金属酸化水酸化物で構成される無機マトリックス部10の内部に、金属繊維20を分散させることができる。Next, a mixture containing an inorganic substance precursor, metal fibers, and a solvent is filled into the mold. After filling the mold with the mixture, the mold may be heated as needed. Then, by applying pressure to the mixture inside the mold, the inside of the mold becomes a high-pressure state. At this time, the inorganic substance precursor and metal fibers become densified, the particles of the inorganic substance precursor bond together, and at the same time, the inorganic substance precursor reacts with the solvent to form metal hydroxide. As a result, the metal fibers 20 can be dispersed inside the inorganic matrix portion 10 composed of metal hydroxide.

無機物質と金属繊維と溶媒とを含む混合物の加圧加熱条件は、溶媒が無機物質前駆体と反応して、金属酸化水酸化物を生成する条件であれば特に限定されない。例えば、無機物質前駆体と金属繊維と溶媒とを含む混合物を、50~300℃に加熱した後、10~600MPaの圧力で加圧することが好ましい。なお、無機物質と金属繊維と溶媒とを含む混合物を加熱する際の温度は、80~250℃であることがより好ましく、100~200℃であることがさらに好ましい。また、無機物質と金属繊維と溶媒とを含む混合物を加圧する際の圧力は、50~600MPaであることがより好ましく、200~600MPaであることがさらに好ましい。The pressurized heating conditions for a mixture containing an inorganic substance, metal fibers, and a solvent are not particularly limited, as long as the conditions allow the solvent to react with the inorganic substance precursor to produce a metal hydroxide oxide. For example, it is preferable to heat the mixture containing the inorganic substance precursor, metal fibers, and solvent to 50 to 300°C, and then pressurize it to a pressure of 10 to 600 MPa. The temperature when heating the mixture containing the inorganic substance, metal fibers, and solvent is more preferably 80 to 250°C, and even more preferably 100 to 200°C. Furthermore, the pressure when pressurizing the mixture containing the inorganic substance, metal fibers, and solvent is more preferably 50 to 600 MPa, and even more preferably 200 to 600 MPa.

そして、金型の内部から成形体を取り出すことにより、複合部材100を得ることができる。Then, by removing the molded body from inside the mold, the composite member 100 can be obtained.

ここで、無機マトリックス部10を構成する無機物質がベーマイトである複合部材100の製造方法について説明する。無機物質がベーマイトである複合部材100は、無機物質の前駆体である水硬性アルミナと、金属繊維と、水を含む溶媒とを混合した後、加圧して加熱することにより製造することができる。水硬性アルミナは、水酸化アルミニウムを加熱処理して得られる酸化物であり、ρアルミナを含んでいる。このような水硬性アルミナは、水和反応によって結合及び硬化する性質を有する。そのため、加圧加熱法を用いることにより、水硬性アルミナの水和反応が進行して水硬性アルミナ同士が互いに結合しつつ、ベーマイトに結晶構造が変化することにより、無機マトリックス部10を形成することができる。Here, we will describe a method for manufacturing a composite member 100 in which the inorganic substance constituting the inorganic matrix portion 10 is boehmite. The composite member 100 in which the inorganic substance is boehmite can be manufactured by mixing hydraulic alumina, which is a precursor of the inorganic substance, metal fibers, and a solvent containing water, and then heating under pressure. Hydraulic alumina is an oxide obtained by heat-treating aluminum hydroxide and contains ρ-alumina. Such hydraulic alumina has the property of bonding and hardening through a hydration reaction. Therefore, by using a pressurized heating method, the hydration reaction of hydraulic alumina proceeds, and the hydraulic alumina particles bond with each other, and the crystalline structure changes to boehmite, thereby forming the inorganic matrix portion 10.

具体的には、まず、水硬性アルミナの粉末と、金属繊維と、水を含む溶媒とを混合して混合物を調製する。水を含む溶媒は、純水又はイオン交換水であることが好ましい。ただ、水を含む溶媒は、水以外に、酸性物質又はアルカリ性物質が含まれていてもよい。また、水を含む溶媒は水が主成分であればよく、例えば有機溶媒(例えばアルコールなど)が含まれていてもよい。Specifically, a mixture is first prepared by mixing hydraulic alumina powder, metal fibers, and a water-containing solvent. The water-containing solvent is preferably pure water or deionized water. However, the water-containing solvent may also contain acidic or alkaline substances in addition to water. Furthermore, the water-containing solvent only needs to have water as its main component; it may also contain organic solvents (such as alcohol).

水硬性アルミナに対する溶媒の添加量は、水硬性アルミナの水和反応が十分に進行する量であることが好ましい。溶媒の添加量は、水硬性アルミナに対して20~200質量%が好ましく、50~150質量%がより好ましい。The amount of solvent added to the hydraulic alumina is preferably an amount that allows the hydration reaction of the hydraulic alumina to proceed sufficiently. The amount of solvent added is preferably 20 to 200% by mass relative to the hydraulic alumina, and more preferably 50 to 150% by mass.

次いで、水硬性アルミナと金属繊維と水を含む溶媒とを混合してなる混合物を、金型の内部に充填する。当該混合物を金型に充填した後、必要に応じて金型を加熱してもよい。そして、金型の内部の混合物に圧力を加えることにより、金型の内部が高圧状態となる。この際、水硬性アルミナが高充填化し、水硬性アルミナの粒子同士が互いに結合することで、高密度化する。具体的には、水硬性アルミナに水を加えることにより、水硬性アルミナが水和反応し、水硬性アルミナ粒子の表面に、ベーマイトと水酸化アルミニウムが生成する。そして、金型内部で当該混合物を加熱しながら加圧することにより、生成したベーマイトと水酸化アルミニウムが隣接する水硬性アルミナ粒子の間を相互に拡散して、水硬性アルミナ粒子同士が徐々に結合する。その後、加熱により脱水反応が進行することで、水酸化アルミニウムからベーマイトに結晶構造が変化する。なお、このような水硬性アルミナの水和反応、水硬性アルミナ粒子間の相互拡散、及び脱水反応は、ほぼ同時に進行すると推測される。Next, a mixture of hydraulic alumina, metal fibers, and a water-containing solvent is filled into the mold. After filling the mold with this mixture, the mold may be heated as needed. By applying pressure to the mixture inside the mold, the inside of the mold becomes a high-pressure state. At this time, the hydraulic alumina becomes denser, and the hydraulic alumina particles bond with each other, resulting in increased density. Specifically, by adding water to the hydraulic alumina, a hydration reaction occurs, and boehmite and aluminum hydroxide are formed on the surface of the hydraulic alumina particles. Then, by heating and pressurizing the mixture inside the mold, the formed boehmite and aluminum hydroxide diffuse between adjacent hydraulic alumina particles, causing the hydraulic alumina particles to gradually bond with each other. Subsequently, as the dehydration reaction proceeds due to heating, the crystalline structure changes from aluminum hydroxide to boehmite. It is presumed that the hydration reaction of hydraulic alumina, the mutual diffusion between hydraulic alumina particles, and the dehydration reaction proceed almost simultaneously.

そして、金型の内部から成形体を取り出すことにより、複数の粒子11同士がアルミニウムの酸化物及び酸化水酸化物の少なくとも一方を介して結合した複合部材100を得ることができる。Then, by removing the molded body from inside the mold, a composite member 100 can be obtained in which multiple particles 11 are bonded together via at least one of aluminum oxide and aluminum hydroxide.

このように、複合部材100の製造方法は、無機マトリックス部10を構成する無機物質の前駆体と、金属繊維と、無機物質前駆体と反応して、金属酸化水酸化物を生成するための溶媒と、を混合して混合物を得る工程を有する。複合部材100の製造方法は、さらに当該混合物を加圧及び加熱する工程を有する。そして、混合物の加圧加熱条件は、50~300℃の温度で、10~600MPaの圧力とすることが好ましい。本実施形態の製造方法では、このような低温条件下で複合部材100を成形することから、金属繊維の劣化を抑制し、機械的強度に優れた複合部材100を得ることができる。Thus, the manufacturing method for the composite member 100 includes a step of mixing an inorganic material precursor constituting the inorganic matrix portion 10, metal fibers, and a solvent for reacting with the inorganic material precursor to produce metal hydroxide oxides to obtain a mixture. The manufacturing method for the composite member 100 further includes a step of pressurizing and heating the mixture. The pressurizing and heating conditions for the mixture are preferably a temperature of 50 to 300°C and a pressure of 10 to 600 MPa. In the manufacturing method of this embodiment, since the composite member 100 is formed under such low-temperature conditions, deterioration of the metal fibers is suppressed, and a composite member 100 with excellent mechanical strength can be obtained.

さらに、本実施形態の製造方法では、無機物質の前駆体と金属繊維と溶媒とを混合してなる混合物を、加熱しながら加圧していることから、無機物質が凝集して緻密な無機マトリックス部10となる。その結果、無機マトリックス部10内部の気孔が少なくなることから、金属繊維20の酸化劣化を抑制しつつも、高い強度を有する複合部材100を得ることができる。Furthermore, in the manufacturing method of this embodiment, since the mixture obtained by mixing an inorganic substance precursor, metal fibers, and a solvent is heated and pressurized, the inorganic substance aggregates to form a dense inorganic matrix portion 10. As a result, the number of pores inside the inorganic matrix portion 10 is reduced, making it possible to obtain a composite member 100 with high strength while suppressing oxidative degradation of the metal fibers 20.

[複合部材の用途]
次に、本実施形態に係る複合部材100の用途について説明する。複合部材100は、上述のように、機械的強度が高く、さらに厚みの大きな板状とすることができることから、構造物に用いることができる。そして、複合部材100を備える構造物としては、住宅設備、住宅部材、建材、建造物であることが好ましい。住宅設備、住宅部材、建材及び建造物は、人の生活の中で需要が多い構造物であることから、複合部材100を構造物に用いることにより、新しい大きな市場の創出効果を期待することができる。
[Applications of composite materials]
Next, the applications of the composite member 100 according to this embodiment will be described. As described above, the composite member 100 has high mechanical strength and can be made into a plate with a large thickness, so it can be used in structures. Preferably, the structures that incorporate the composite member 100 are housing equipment, housing components, building materials, and buildings. Housing equipment, housing components, building materials, and buildings are structures that are in high demand in people's lives, so by using the composite member 100 in structures, it is possible to expect the creation of a new and large market.

本実施形態の複合部材は、建築部材に使用することができる。言い換えれば、本実施形態の建築部材は、複合部材100を備えている。建築部材は建築用に製造された部材であり、本実施形態では少なくとも一部に複合部材100を使用することができる。複合部材100は、上述のように、厚みの大きな板状とすることができ、さらに高い強度及び耐久性を有している。そのため、複合部材100を建築部材として好適に用いることができる。建築部材としては、例えば、外壁材(サイディング)、屋根材などを挙げることができる。また、建築部材としては、道路用材料、外溝用材料も挙げることができる。The composite member of this embodiment can be used as a building component. In other words, the building component of this embodiment includes the composite member 100. A building component is a component manufactured for construction, and in this embodiment, the composite member 100 can be used in at least a part of it. As described above, the composite member 100 can be made into a thick plate and has high strength and durability. Therefore, the composite member 100 can be suitably used as a building component. Examples of building components include exterior wall materials (siding) and roofing materials. Other examples of building components include road materials and exterior drainage materials.

さらに、本実施形態の複合部材は、内装部材にも使用することができる。言い換えれば、本実施形態の内装部材は、複合部材100を備えている。内装部材としては、例えば、浴槽、キッチンカウンター、洗面台、床材などを挙げることができる。Furthermore, the composite member of this embodiment can also be used as an interior component. In other words, the interior component of this embodiment includes the composite member 100. Examples of interior components include bathtubs, kitchen counters, washbasins, and flooring materials.

以下、本実施形態を実施例、比較例及び参考例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。The embodiment will be described in further detail below with reference to examples, comparative examples, and reference examples, but the embodiment is not limited to these examples.

[例1]
(試験サンプルの調製)
<実施例1-1>
まず、水硬性アルミナとして、住友化学株式会社製、水硬性アルミナBK-112を準備した。なお、当該水硬性アルミナは、中心粒径が約16μmである。当該水硬性アルミナ粉末を粉末X線回折法で分析した結果、後述するように、ベーマイトとギブサイト(水酸化アルミニウム)との混合物であることが分かった。また、当該水硬性アルミナにはρアルミナも含まれていた。さらに、繊維材料として、株式会社日工テクノ製のアルミニウム繊維(品番:TW/Al/20)を準備した。なお、当該アルミニウム繊維の平均繊維径は約20μmであり、平均繊維長は5mm以上であった。
[Example 1]
(Preparation of test samples)
<Example 1-1>
First, as the hydraulic alumina, Sumitomo Chemical Co., Ltd.'s hydraulic alumina BK-112 was prepared. The median particle size of this hydraulic alumina was approximately 16 μm. Analysis of the hydraulic alumina powder by powder X-ray diffraction revealed that it was a mixture of boehmite and gibbsite (aluminum hydroxide), as will be described later. Furthermore, the hydraulic alumina also contained ρ-alumina. In addition, aluminum fiber (product number: TW/Al/20) manufactured by Nikko Techno Co., Ltd. was prepared as the fiber material. The average fiber diameter of this aluminum fiber was approximately 20 μm, and the average fiber length was 5 mm or more.

そして、水硬性アルミナ及びアルミニウム繊維を、水硬性アルミナ:アルミニウム繊維=90体積%:10体積%となるように秤量した後、水硬性アルミナ及びアルミニウム繊維を、メノウ製の乳鉢と乳棒を用いて混合し、混合粉末を得た。次に、水硬性アルミナに対して80質量%となるようにイオン交換水を秤量した後、混合粉末とイオン交換水とを、メノウ製の乳鉢と乳棒を用いて混合することにより、混合物を得た。Next, hydraulic alumina and aluminum fibers were weighed in such a ratio of hydraulic alumina:aluminum fibers = 90% by volume:10% by volume. The hydraulic alumina and aluminum fibers were then mixed using an agate mortar and pestle to obtain a mixed powder. Finally, ion-exchanged water was weighed in such a ratio of 80% by mass relative to the hydraulic alumina. The mixed powder and ion-exchanged water were then mixed using an agate mortar and pestle to obtain a mixture.

次いで、得られた混合物を、内部空間を有する円筒状の成形用金型(Φ10)の内部に投入した。そして、当該混合物を、400MPa、180℃、20分の条件で加熱及び加圧することにより、本例の試験サンプルを得た。Next, the obtained mixture was placed inside a cylindrical molding die (Φ10) having an internal space. The mixture was then heated and pressurized under conditions of 400 MPa, 180°C, and 20 minutes to obtain the test sample for this example.

<実施例1-2>
水硬性アルミナ:アルミニウム繊維=80体積%:20体積%となるようにアルミニウム繊維を添加したこと以外は実施例1-1と同様にして、本例の試験サンプルを得た。
<Example 1-2>
The test sample for this example was obtained in the same manner as in Example 1-1, except that aluminum fibers were added in a ratio of hydraulic alumina:aluminum fibers = 80% by volume:20% by volume.

<実施例1-3>
水硬性アルミナ:アルミニウム繊維=50体積%:50体積%となるようにアルミニウム繊維を添加したこと以外は実施例1-1と同様にして、本例の試験サンプルを得た。
<Examples 1 and 3>
The test sample for this example was obtained in the same manner as in Example 1-1, except that aluminum fibers were added in a ratio of 50% by volume to 50% by volume of hydraulic alumina.

<比較例1-1>
アルミニウム繊維を添加しなかったこと以外は実施例1-1と同様にして、本例の試験サンプルを得た。
<Comparative Example 1-1>
The test sample for this example was obtained in the same manner as in Example 1-1, except that aluminum fibers were not added.

<比較例1-2>
アルミナ粉末(Al)として、住友化学株式会社製、アドバンストアルミナAA-18を準備した。なお、アドバンストアルミナAA-18は、多面体球状に近い形状を有するαアルミナの単結晶粒子であり、中心粒径が約20.3μmである。そして、アルミニウム繊維の代わりにアルミナ粉末を添加したこと以外は、実施例1-3と同様にして、本例の試験サンプルを得た。
<Comparative Example 1-2>
Advanced Alumina AA-18 , manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., was prepared as alumina powder ( Al₂O₃ ). Advanced Alumina AA-18 is a single-crystal particle of α-alumina with a shape close to a polyhedral sphere, and its median particle size is approximately 20.3 μm. The test sample for this example was obtained in the same manner as in Examples 1-3, except that alumina powder was added instead of aluminum fibers.

<比較例1-3>
繊維材料として、デンカ株式会社製のアルミナ繊維であるデンカ アルセン(登録商標)を準備した。なお、当該アルミナ繊維の平均繊維径は3~5μmであった。そして、アルミニウム繊維の代わりにアルミナ繊維を添加したこと以外は、実施例1-2と同様にして、本例の試験サンプルを得た。
<Comparative Example 1-3>
As the fiber material, Denka Arsen (registered trademark), an alumina fiber manufactured by Denka Co., Ltd., was prepared. The average fiber diameter of the alumina fiber was 3 to 5 μm. The test sample for this example was obtained in the same manner as in Example 1-2, except that alumina fiber was added instead of aluminum fiber.

各試験サンプルに添加した骨材の種類及び添加量、並びに各試験サンプルの相対密度を表1に纏めて示す。なお、相対密度は、次のように求めた。Table 1 summarizes the type and amount of aggregate added to each test sample, as well as the relative density of each test sample. The relative density was calculated as follows.

まず、各例の試験サンプルの体積と質量から、実際の比重を求めた。さらに、各試験サンプルに含まれるベーマイト及び骨材の割合から、各試験サンプルの理論比重を求めた。つまり、実施例1-1では、ベーマイトが90体積%であり、アルミニウム繊維が10体積%であることから、ベーマイト及びアルミニウムの割合及び比重から、理論比重を求めた。そして、理論比重に対する実際の比重([実際の比重]/[理論比重]×100)を相対密度とした。First, the actual specific gravity was determined from the volume and mass of each test sample. Furthermore, the theoretical specific gravity of each test sample was determined from the proportions of boehmite and aggregate contained in each sample. Specifically, in Example 1-1, since boehmite was 90% by volume and aluminum fiber was 10% by volume, the theoretical specific gravity was determined from the proportions and specific gravities of boehmite and aluminum. Then, the relative density was defined as the actual specific gravity relative to the theoretical specific gravity ([actual specific gravity] / [theoretical specific gravity] × 100).

(曲げ強さ測定)
各例の試験サンプルについて、日本産業規格JIS T6526:2018(歯科用セラミック材料)に準拠して曲げ強さを測定した。なお、試験サンプルの曲げ強さは、JIS T6526の2軸曲げ試験で測定した。各例の試験サンプルにおける曲げ強さ(応力)の最大値を表1に合わせて示す。
(Bending strength measurement)
The bending strength of each test sample was measured in accordance with the Japanese Industrial Standard JIS T6526:2018 (Dental Ceramic Materials). The bending strength of the test samples was measured using the biaxial bending test specified in JIS T6526. The maximum bending strength (stress) for each test sample is shown in Table 1.

実施例1-1~1-3及び比較例1より、金属繊維であるアルミニウム繊維を添加することにより、曲げ応力が高まり、機械的強度が向上することが分かる。特に、実施例1-3及び比較例1-1より、アルミニウム繊維の含有量が50体積%の場合には、アルミニウム繊維を添加しない場合に比べて、曲げ強さが3倍近く向上することが分かる。また、実施例1-1~1-3より、アルミニウム繊維の添加量が増加するにつれて、曲げ強さも向上することが分かる。そのため、アルミニウム繊維の添加量を50体積%以上にすることにより、曲げ強さがさらに向上することが推測される。Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Example 1 show that adding aluminum fibers, which are metal fibers, increases bending stress and improves mechanical strength. In particular, Examples 1-3 and Comparative Example 1-1 show that when the aluminum fiber content is 50 volume%, the bending strength is nearly three times higher compared to when no aluminum fibers are added. Furthermore, Examples 1-1 to 1-3 show that the bending strength improves as the amount of aluminum fibers added increases. Therefore, it is presumed that the bending strength will be further improved by adding more than 50 volume% of aluminum fibers.

これに対して、比較例1-1及び比較例1-2より、アルミナ粒子を添加しても曲げ強さは向上せず、逆に大きく低下することが分かる。同様に、比較例1-1及び比較例1-3より、アルミナ繊維を添加しても曲げ強さは向上せず、逆に大きく低下することが分かる。In contrast, Comparative Examples 1-1 and 1-2 show that adding alumina particles does not improve flexural strength, but rather significantly decreases it. Similarly, Comparative Examples 1-1 and 1-3 show that adding alumina fibers does not improve flexural strength, but rather significantly decreases it.

(顕微鏡観察)
実施例1-2の試験サンプルについて、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて断面の観察を行った。図3は、実施例1-2の試験サンプルの断面を1000倍及び3000倍の倍率で観察した結果を示すSEM写真である。図3では、無機マトリックス部10中に存在しているアルミニウム繊維20の断面を示している。なお、図3における符号Aで示す黒色の線状部分は、試験サンプルを研磨した際に生じた研磨傷である。図3に示すように、無機マトリックス部10とアルミニウム繊維20との間には空隙が殆ど存在せず、これらが互いに密着していることが分かる。つまり、アルミニウム繊維20が加圧工程の際に塑性変形することにより、アルミニウム繊維20が無機マトリックス部10に対して固着することが分かる。
(Microscopic observation)
The test samples of Example 1-2 were observed in cross-section using a scanning electron microscope (SEM). Figure 3 is an SEM image showing the results of observing the cross-section of the test samples of Example 1-2 at magnifications of 1000x and 3000x. Figure 3 shows the cross-section of the aluminum fibers 20 present in the inorganic matrix portion 10. The black linear portion indicated by the symbol A in Figure 3 is a polishing scratch that occurred when the test sample was polished. As shown in Figure 3, there is almost no void between the inorganic matrix portion 10 and the aluminum fibers 20, and it can be seen that they are in close contact with each other. In other words, it can be seen that the aluminum fibers 20 adhere to the inorganic matrix portion 10 due to plastic deformation of the aluminum fibers 20 during the pressurization process.

さらに、図3では、1000倍及び3000倍の倍率で観察した反射電子像を二値化した画像も示している。反射電子像を二値化することにより、気孔部分を明確にすることができる。二値化画像において、黒色部は無機マトリックス部10及びアルミニウム繊維20であり、白色部は気孔である。そして、二値化した画像から気孔部分の面積割合を算出し、気孔率とした。その結果、図3における1000倍の倍率に係る反射電子像の気孔率は0.226%であり、3000倍の倍率に係る反射電子像の気孔率は0.21%であった。Furthermore, Figure 3 also shows binarized images of backscattered electron images observed at 1000x and 3000x magnification. By binarizing the backscattered electron images, the pore areas can be clearly identified. In the binarized images, the black areas represent the inorganic matrix 10 and aluminum fibers 20, and the white areas represent pores. The area ratio of the pore areas was then calculated from the binarized images and defined as the porosity. As a result, the porosity of the backscattered electron image at 1000x magnification in Figure 3 was 0.226%, and the porosity of the backscattered electron image at 3000x magnification was 0.21%.

図4は、実施例1-2の試験サンプルの断面を500倍の倍率で観察した結果を示すSEM写真である。そして、図4中の矢印は、水硬性アルミナとアルミニウム繊維とイオン交換水との混合物を成形用金型に投入して加圧した際の加圧方向(プレス方向)を示す。図4に示すように、無機マトリックス部10とアルミニウム繊維20との間に空隙が殆ど存在せず、これらが互いに密着していることが分かる。さらに、アルミニウム繊維20の断面は、プレス方向に略垂直な方向に沿って扁平化していることが分かる。このことから、アルミニウム繊維20がプレス圧により塑性変形することで、アルミニウム繊維20が無機マトリックス部10に対して固着することが分かる。Figure 4 is an SEM image showing the results of observing the cross-section of the test sample from Example 1-2 at 500x magnification. The arrows in Figure 4 indicate the direction of pressure (pressing direction) when the mixture of hydraulic alumina, aluminum fibers, and ion-exchanged water is placed in a molding die and pressurized. As shown in Figure 4, there is almost no void between the inorganic matrix portion 10 and the aluminum fibers 20, indicating that they are in close contact with each other. Furthermore, it can be seen that the cross-section of the aluminum fibers 20 is flattened along a direction approximately perpendicular to the pressing direction. From this, it can be seen that the aluminum fibers 20 adhere to the inorganic matrix portion 10 due to plastic deformation caused by the pressing pressure.

参考までに、図5Aでは、アルミニウム繊維を樹脂で包埋処理したサンプルの断面を1000倍の倍率で観察した結果を示している。また、図5Bは、アルミニウム繊維を樹脂で包埋処理したサンプルの断面を3000倍の倍率で観察した結果を示している。つまり、図5A及び図5Bは、水硬性アルミナとアルミニウム繊維とイオン交換水との混合物を成形用金型に投入して加圧する前の、アルミニウム繊維の断面を示している。図4並びに図5A及び図5Bより、当該混合物を成形用金型に投入して加圧することにより、プレス圧に起因してアルミニウム繊維が扁平状に塑性変形することが分かる。For reference, Figure 5A shows the results of observing a cross-section of a sample in which aluminum fibers were embedded in resin at a magnification of 1000x. Figure 5B shows the results of observing a cross-section of a sample in which aluminum fibers were embedded in resin at a magnification of 3000x. In other words, Figures 5A and 5B show the cross-section of the aluminum fibers before the mixture of hydraulic alumina, aluminum fibers, and deionized water was placed in a molding die and pressurized. From Figures 4, 5A, and 5B, it can be seen that when the mixture is placed in a molding die and pressurized, the aluminum fibers undergo plastic deformation into a flattened shape due to the press pressure.

図6Aは、比較例1-3の試験サンプルの断面を1000倍の倍率で観察した結果を示すSEM写真である。図6Bは、比較例1-3の試験サンプルの断面を3000倍の倍率で観察した結果を示すSEM写真である。また、図6A及び図6Bでは、無機マトリックス部10中に存在しているアルミナ繊維40の断面を示している。図6A及び図6Bから分かるように、比較例1-3の試験サンプルでは、アルミナ繊維40が扁平状に塑性変形していないことが分かる。さらに、無機マトリックス部10とアルミナ繊維40の間には、数多くの気孔42が存在していることが分かる。Figure 6A is an SEM image showing the results of observing the cross-section of the test samples of Comparative Examples 1-3 at a magnification of 1000x. Figure 6B is an SEM image showing the results of observing the cross-section of the test samples of Comparative Examples 1-3 at a magnification of 3000x. Figures 6A and 6B also show the cross-section of the alumina fibers 40 present in the inorganic matrix portion 10. As can be seen from Figures 6A and 6B, the alumina fibers 40 in the test samples of Comparative Examples 1-3 have not undergone plastic deformation into a flattened shape. Furthermore, it can be seen that numerous pores 42 exist between the inorganic matrix portion 10 and the alumina fibers 40.

(ビッカース硬さ測定)
実施例1-2及び比較例1-3の試験サンプルに対して、JIS R1610(ファインセラミックスの硬さ試験方法)に準拠してビッカース硬さを測定した。その結果、アルミニウム繊維を20体積%含有した実施例1-2の試験サンプルのビッカース硬さは2.0GPaであった。また、アルミナ繊維を20体積%含有した比較例1-3の試験サンプルのビッカース硬さは、2.3GPaであった。
(Vickers hardness measurement)
The Vickers hardness of the test samples from Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 was measured in accordance with JIS R1610 (Test Method for Hardness of Fine Ceramics). As a result, the Vickers hardness of the test sample from Example 1-2, which contained 20 volume% aluminum fibers, was 2.0 GPa. The Vickers hardness of the test sample from Comparative Examples 1-3, which contained 20 volume% alumina fibers, was 2.3 GPa.

(評価)
アルミニウムは展性に富む金属であることから、図3及び図4に示すように塑性変形することで、アルミニウム繊維20が無機マトリックス部10に対して固着することができる。さらに、アルミニウムは、延性にも富む性質を有する。このため、無機マトリックス部10にアルミニウム繊維を分散させることにより、無機マトリックス部10に外力が加わった場合でも、ひび割れ等の発生を抑制することができる。その結果、複合部材の曲げ応力が高まり、機械的強度を向上させることができる。
(evaluation)
Since aluminum is a highly malleable metal, the aluminum fibers 20 can be fixed to the inorganic matrix portion 10 by plastic deformation, as shown in Figures 3 and 4. Furthermore, aluminum also possesses ductility. Therefore, by dispersing aluminum fibers in the inorganic matrix portion 10, the occurrence of cracks and other damage can be suppressed even when external forces are applied to the inorganic matrix portion 10. As a result, the bending stress of the composite member is increased, and its mechanical strength can be improved.

これに対して、アルミナは、延性が小さい材料であることから、無機マトリックス部10に分散させたとしても、無機マトリックス部10の脆性破壊を抑制することは困難である。さらに、アルミナは展性が小さいため、塑性変形し難い材料である。そのため、無機マトリックス部とアルミナ繊維とは固着し難く、これらの間には数多くの気孔が発生してしまう。このように、アルミナは延性に乏しいこと、無機マトリックス部とアルミナとは固着し難いことから、骨材としてアルミナ粒子又はアルミナ繊維を添加した複合部材は、曲げ応力が低下したものと考えられる。In contrast, since alumina is a material with low ductility, even if dispersed in the inorganic matrix 10, it is difficult to suppress the brittle fracture of the inorganic matrix 10. Furthermore, because alumina has low malleability, it is a material that does not easily undergo plastic deformation. Therefore, the inorganic matrix and alumina fibers do not adhere well, and numerous pores are generated between them. Thus, because alumina has poor ductility and does not adhere well to the inorganic matrix, it is thought that composite members to which alumina particles or alumina fibers are added as aggregate exhibit reduced bending stress.

[例2]
(試験サンプルの調製)
<実施例2-1>
実施例1-3と同じ製法により、ベーマイトからなる無機マトリックス部に、アルミニウム繊維を50体積%添加した、本例の試験サンプルを得た。
[Example 2]
(Preparation of test samples)
<Example 2-1>
Using the same manufacturing method as in Examples 1-3, a test sample for this example was obtained by adding 50% by volume of aluminum fibers to an inorganic matrix made of boehmite.

<比較例2-1>
アルミニウム粉末として、富士フイルム和光純薬株式会社製のアルミニウム粉末を準備した。なお、当該アルミニウム粉末は、粒度が約53~150μmであり、アスペクト比が2以下である。そして、アルミニウム繊維の代わりにアルミニウム粉末を用いたこと以外は実施例1-3と同様にして、ベーマイトからなる無機マトリックス部に、アルミニウム粉末を50体積%添加した、本例の試験サンプルを得た。
<比較例2-2>
比較例1-1と同じ製法により、ベーマイトからなる無機マトリックス部に骨材を添加しなかった、本例の試験サンプルを得た。
<Comparative Example 2-1>
As the aluminum powder, aluminum powder manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was prepared. The aluminum powder had a particle size of approximately 53 to 150 μm and an aspect ratio of 2 or less. Then, in the same manner as in Examples 1-3, except that aluminum powder was used instead of aluminum fibers, a test sample for this example was obtained by adding 50% by volume of aluminum powder to an inorganic matrix made of boehmite.
<Comparative Example 2-2>
Using the same manufacturing method as in Comparative Example 1-1, a test sample for this example was obtained in which no aggregate was added to the inorganic matrix consisting of boehmite.

(曲げ強さ測定)
各例の試験サンプルについて、日本産業規格JIS T6526:2018に準拠して曲げ強さを測定した。なお、試験サンプルの曲げ強さは、JIS T6526の2軸曲げ試験で測定した。各例の試験サンプルの測定結果を図7に示す。図7は、各例の試験サンプルに対して、JIS T6526に準拠して曲げ強さを測定した際の、ストローク変位と荷重との関係を示すグラフである。
(Bending strength measurement)
The bending strength of each test sample was measured in accordance with the Japanese Industrial Standard JIS T6526:2018. The bending strength of the test samples was measured using the biaxial bending test of JIS T6526. The measurement results for each test sample are shown in Figure 7. Figure 7 is a graph showing the relationship between stroke displacement and load when the bending strength of each test sample was measured in accordance with JIS T6526.

図7に示すように、骨材としてアルミニウム繊維を含んだ実施例2-1の試験サンプルは、骨材を含まない比較例2-2の試験サンプルと比べて、最大破壊強度(最大曲げ強さ)が大きく向上していることが分かる。また、実施例2-1の試験サンプルは、ストローク変位が0.15mmを超えると荷重(曲げ強さ)が低下するものの、荷重が徐々に低下する傾向が見られた。つまり、実施例2-1の試験サンプルは、アルミニウム繊維に起因した延性挙動を示した。As shown in Figure 7, the test sample of Example 2-1, which contains aluminum fibers as aggregate, shows a significant improvement in maximum fracture strength (maximum bending strength) compared to the test sample of Comparative Example 2-2, which does not contain aggregate. Furthermore, although the load (bending strength) of the test sample of Example 2-1 decreased when the stroke displacement exceeded 0.15 mm, a gradual decrease in load was observed. In other words, the test sample of Example 2-1 exhibited ductile behavior due to the aluminum fibers.

これに対して、骨材を含まない比較例2-2の試験サンプルは、ストローク変位が0.06mmを超えると、荷重(曲げ強さ)が0Nまで急激に低下した。つまり、比較例2-2の試験サンプルは、無機物質の粒子同士が結合することにより形成されているため、脆性破壊する結果となった。In contrast, the test sample of Comparative Example 2-2, which did not contain aggregate, showed a rapid decrease in load (bending strength) to 0 N when the stroke displacement exceeded 0.06 mm. In other words, the test sample of Comparative Example 2-2, being formed by the bonding of inorganic material particles, resulted in brittle fracture.

図8の(a)は曲げ強さ測定後の実施例2-1の試験サンプルを示す写真であり、(b)は曲げ強さ測定後の比較例2-2の試験サンプルを示す写真である。曲げ強さ測定後の比較例2-2の試験サンプルは、脆性破壊により分割していることが分かる。これに対して、曲げ強さ測定後の実施例2-1の試験サンプルは、ひび割れが発生しているものの、円盤形状を維持できていることが分かる。Figure 8(a) is a photograph showing the test sample of Example 2-1 after bending strength measurement, and (b) is a photograph showing the test sample of Comparative Example 2-2 after bending strength measurement. It can be seen that the test sample of Comparative Example 2-2 after bending strength measurement has split due to brittle fracture. In contrast, it can be seen that the test sample of Example 2-1 after bending strength measurement has cracked, but has maintained its disc shape.

なお、骨材としてアルミニウム粉末を含んだ比較例2-1の試験サンプルは、骨材を含まない比較例2-2の試験サンプルと比べて、最大破壊強度(最大曲げ強さ)が若干向上した。さらに、比較例2-1の試験サンプルも、アルミニウム粉末に起因した延性挙動を示した。しかしながら、比較例2-1の試験サンプルは、実施例2-1の試験サンプルに比べて最大破壊強度が大きく低下する結果となった。つまり、実施例2-1の試験サンプルでは、無機マトリックス部10の内部にアルミニウム繊維が分散しているため、無機物質の粒子同士がアルミニウム繊維で連結している。さらに、アルミニウム繊維と無機物質の粒子とは、アルミニウム繊維の展性に起因して密着することができる。そのため、延性に富むアルミニウム繊維により、最大破壊強度が高まったものと考えられる。Furthermore, the test sample of Comparative Example 2-1, which contained aluminum powder as aggregate, showed a slight improvement in maximum fracture strength (maximum bending strength) compared to the test sample of Comparative Example 2-2, which did not contain aggregate. In addition, the test sample of Comparative Example 2-1 also exhibited ductile behavior due to the aluminum powder. However, the test sample of Comparative Example 2-1 showed a significantly lower maximum fracture strength compared to the test sample of Example 2-1. In other words, in the test sample of Example 2-1, since aluminum fibers are dispersed inside the inorganic matrix portion 10, the inorganic material particles are connected to each other by the aluminum fibers. Furthermore, the aluminum fibers and the inorganic material particles can adhere to each other due to the malleability of the aluminum fibers. Therefore, it is considered that the maximum fracture strength was increased due to the highly ductile aluminum fibers.

これに対して、比較例2-1の試験サンプルでは、無機マトリックス部10の内部にアルミニウム粒子が分散しているものの、無機物質の粒子同士がアルミニウム粒子で連結することが困難である。そのため、比較例2-1の試験サンプルでは、最大破壊強度が十分に向上しなかったものと考えられる。In contrast, in the test sample of Comparative Example 2-1, although aluminum particles are dispersed within the inorganic matrix portion 10, it is difficult for the inorganic particles to bond together with the aluminum particles. Therefore, it is thought that the maximum fracture strength was not sufficiently improved in the test sample of Comparative Example 2-1.

[例3]
(試験サンプルの調製)
<参考例3-1>
株式会社日工テクノ製のアルミニウム繊維(品番:TW/Al/20)を、本例の試験サンプルとした。
[Example 3]
(Preparation of test samples)
<Reference example 3-1>
Aluminum fiber (product number: TW/Al/20) manufactured by Nikko Techno Co., Ltd. was used as the test sample for this example.

<参考例3-2>
参考例3-1と同じアルミニウム繊維とイオン交換水とを耐圧容器に封入し、180℃で6時間加熱した後、耐圧容器からアルミニウム繊維を取り出した。このようにして、水熱処理を施した本例の試験サンプルを得た。
<Reference example 3-2>
The same aluminum fibers and deionized water used in Reference Example 3-1 were sealed in a pressure vessel and heated at 180°C for 6 hours. After heating, the aluminum fibers were removed from the pressure vessel. In this way, the hydrothermal treatment test sample for this example was obtained.

<参考例3-3>
参考例3-1と同じアルミニウム繊維と、イオン交換水と、アンモニアとを耐圧容器に封入し、180℃で6時間加熱した後、耐圧容器からアルミニウム繊維を取り出した。このようにして、アンモニア添加水熱処理を施した本例の試験サンプルを得た。
<Reference example 3-3>
The same aluminum fibers as in Reference Example 3-1, deionized water, and ammonia were sealed in a pressure vessel and heated at 180°C for 6 hours. After heating, the aluminum fibers were removed from the pressure vessel. In this way, the test sample of this example, which had undergone ammonia-added hydrothermal treatment, was obtained.

(顕微鏡観察)
参考例3-1~3-3の試験サンプルについて、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて表面の観察を行った。図9は、参考例3-1~3-3の試験サンプルの表面を1000倍及び3000倍の倍率で観察した結果を示すSEM写真である。
(Microscopic observation)
The test samples of Reference Examples 3-1 to 3-3 were observed on the surface using a scanning electron microscope (SEM). Figure 9 shows SEM images of the surfaces of the test samples of Reference Examples 3-1 to 3-3 observed at magnifications of 1000x and 3000x.

図9に示すように、水熱処理後である参考例3-2のアルミニウム繊維は、水熱処理前である参考例3-1のアルミニウム繊維と比べて、表面に凹凸が形成され、さらに粒状物が複数生成していることが確認できる。また、アンモニア添加水熱処理後である参考例3-3のアルミニウム繊維も、表面に凹凸が形成され、さらに粒状物が複数生成していることが確認できる。As shown in Figure 9, the aluminum fibers of Reference Example 3-2, after hydrothermal treatment, show surface irregularities and the formation of multiple granular particles compared to the aluminum fibers of Reference Example 3-1, before hydrothermal treatment. Similarly, the aluminum fibers of Reference Example 3-3, after ammonia-added hydrothermal treatment, also show surface irregularities and the formation of multiple granular particles.

図10では、参考例3-2に係る水熱処理後のアルミニウム繊維の表面をX線回折測定した結果を示している。図10より、水熱処理後のアルミニウム繊維からベーマイトのピークが観測されたことから、アルミニウム繊維を水熱処理することにより、アルミニウム繊維の表面が酸化されてベーマイト層が生成することが分かる。なお、参考例3-3のように、アンモニアを添加して水熱処理を行うことにより水熱処理が促進されるため、参考例3-3のアルミニウム繊維の表面にもベーマイト層が生成していると考えられる。Figure 10 shows the results of X-ray diffraction measurement of the surface of aluminum fibers after hydrothermal treatment according to Reference Example 3-2. From Figure 10, a boehmite peak was observed on the aluminum fibers after hydrothermal treatment, indicating that hydrothermal treatment of aluminum fibers oxidizes the surface of the aluminum fibers and generates a boehmite layer. Furthermore, as in Reference Example 3-3, the hydrothermal treatment is accelerated by adding ammonia, so it is thought that a boehmite layer is also formed on the surface of the aluminum fibers in Reference Example 3-3.

ここで、実施例1-1~1-3のように、水硬性アルミナとアルミニウム繊維とイオン交換水との混合物を、400MPa、180℃、20分の条件で加熱及び加圧した場合、アルミニウム繊維では、上述の水熱処理と同様の反応が生じると推測される。そのため、当該アルミニウム繊維の表面には、ベーマイト層が生成すると考えられる。また、後述するように、水硬性アルミナとイオン交換水との混合物を加圧加熱処理した場合、水硬性アルミナはベーマイトに組成が変化する。そのため、実施例1-1~1-3の試験サンプルでは、ベーマイトからなる無機マトリックス部が、生成したベーマイト層を介してアルミニウム繊維と強固に結合していると推測することができる。Here, as in Examples 1-1 to 1-3, when a mixture of hydraulic alumina, aluminum fibers, and deionized water is heated and pressurized under conditions of 400 MPa, 180°C, and 20 minutes, it is presumed that a reaction similar to the hydrothermal treatment described above occurs in the aluminum fibers. Therefore, it is thought that a boehmite layer is formed on the surface of the aluminum fibers. Furthermore, as will be described later, when a mixture of hydraulic alumina and deionized water is subjected to pressurized heat treatment, the composition of the hydraulic alumina changes to boehmite. Therefore, in the test samples of Examples 1-1 to 1-3, it can be inferred that the inorganic matrix portion consisting of boehmite is strongly bonded to the aluminum fibers via the formed boehmite layer.

[例4]
(試験サンプルの調製)
<参考例4>
まず、水硬性アルミナとして、住友化学株式会社製、水硬性アルミナBK-112を準備した。次に、水硬性アルミナに対して80質量%となるようにイオン交換水を秤量した後、水硬性アルミナとイオン交換水とを、メノウ製の乳鉢と乳棒を用いて混合することにより、混合物を得た。次に、得られた混合物を、内部空間を有する円筒状の成形用金型(Φ10)の内部に投入した。そして、当該混合物を、50MPa、120℃、20分の条件で加熱及び加圧することにより、本例の試験サンプルを得た。
[Example 4]
(Preparation of test samples)
<Reference example 4>
First, hydraulic alumina BK-112, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., was prepared as the hydraulic alumina. Next, ion-exchanged water was weighed to make up 80% by mass relative to the hydraulic alumina, and then the hydraulic alumina and ion-exchanged water were mixed using an agate mortar and pestle to obtain a mixture. Next, the obtained mixture was placed inside a cylindrical molding die (Φ10) having an internal space. The mixture was then heated and pressurized under the conditions of 50 MPa, 120°C, and 20 minutes to obtain the test sample for this example.

図11では、上記水硬性アルミナ粉末のX線回折パターン、並びにICSDに登録されたベーマイト(AlOOH)及びギブサイト(Al(OH))のパターンを示している。図11に示すように、水硬性アルミナは、ベーマイトとギブサイトとの混合物であることが分かる。なお、図11には示されていないが、水硬性アルミナにはρアルミナも含まれている。 Figure 11 shows the X-ray diffraction pattern of the hydraulic alumina powder, as well as the patterns of boehmite (AlOOH) and gibbsite (Al(OH) 3 ) registered in ICSD. As shown in Figure 11, hydraulic alumina is a mixture of boehmite and gibbsite. Although not shown in Figure 11, hydraulic alumina also contains ρ-alumina.

(X線回折測定)
参考例4の試験サンプルについて、X線回折装置を用いてX線回折パターンを測定した。図12では、参考例4の試験サンプルのX線回折パターン、並びにICSDに登録されたベーマイト及びギブサイトのX線回折パターンを示す。図12より、参考例4の試験サンプルは、主としてベーマイトからなる構造体であることが分かる。そのため、図11及び図12より、加圧加熱法により、原料のギブサイト(水酸化アルミニウム)がベーマイトへ変化することが分かる。
(X-ray diffraction measurement)
The X-ray diffraction pattern of the test sample of Reference Example 4 was measured using an X-ray diffractometer. Figure 12 shows the X-ray diffraction pattern of the test sample of Reference Example 4, as well as the X-ray diffraction patterns of boehmite and gibbsite registered in ICSD. From Figure 12, it can be seen that the test sample of Reference Example 4 is a structure mainly composed of boehmite. Therefore, from Figures 11 and 12, it can be seen that the raw material gibbsite (aluminum hydroxide) is transformed into boehmite by the pressurized heating method.

以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。Although this embodiment has been described above, this embodiment is not limited to these, and various modifications are possible within the scope of the gist of this embodiment.

特願2021-205323号(出願日:2021年12月17日)の全内容は、ここに援用される。The entire contents of Japanese Patent Application No. 2021-205323 (Filing Date: December 17, 2021) are incorporated herein by reference.

本開示によれば、機械的強度に優れた複合部材を提供することができる。According to this disclosure, it is possible to provide composite members with excellent mechanical strength.

10 無機マトリックス部
20 金属繊維(アルミニウム繊維)
100 複合部材
10 Inorganic matrix portion 20 Metal fibers (aluminum fibers)
100 Composite Members

Claims (7)

金属酸化水酸化物を含む無機物質によって構成される無機マトリックス部と、
前記無機マトリックス部の内部に分散した状態で存在しており、アスペクト比が100以上であり、断面が扁平状である金属繊維と、
を備え、
前記無機マトリックス部の断面における気孔率が20%以下である、複合部材。
An inorganic matrix portion composed of an inorganic substance containing metal hydroxides,
Metal fibers that are dispersed within the inorganic matrix portion, have an aspect ratio of 100 or more, and have a flattened cross-section ,
Equipped with,
A composite member having a porosity of 20% or less in the cross-section of the inorganic matrix portion.
前記金属繊維は、展性を有しており、かつ、前記無機マトリックス部の内部において主に所定方向に配向している、請求項1に記載の複合部材。 The composite member according to claim 1, wherein the metal fibers are malleable and are mainly oriented in a predetermined direction within the inorganic matrix portion. 前記金属繊維が10体積%以上含まれている、請求項1又は2に記載の複合部材。 The composite member according to claim 1 or 2, wherein the aforementioned metal fibers are contained in an amount of 10% or more by volume. 前記金属酸化水酸化物及び前記金属繊維は同じ金属元素を含む、請求項1又は2に記載の複合部材。 The composite member according to claim 1 or 2, wherein the metal hydroxide and the metal fibers contain the same metal element. 前記金属酸化水酸化物及び前記金属繊維の少なくとも一方はアルミニウムを含む、請求項1又は2に記載の複合部材。 The composite member according to claim 1 or 2, wherein at least one of the metal hydroxide and the metal fiber contains aluminum. 前記金属酸化水酸化物はベーマイトである、請求項5に記載の複合部材。 The composite member according to claim 5, wherein the metal hydroxide is boehmite. 前記無機マトリックス部及び前記金属繊維は、前記金属繊維の表面に生成し、前記無機マトリックス部と異なるベーマイト層を介して、互いに固着している、請求項6に記載の複合部材。 The composite member according to claim 6, wherein the inorganic matrix portion and the metal fibers are formed on the surface of the metal fibers and are bonded to each other via a boehmite layer different from the inorganic matrix portion.
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